《计算机组成原理》实验教学大纲

一、实验课程性质、目的与任务

本课程是计算机科学与技术、软件工程、网络工程专业的专业必修课，它的目的是使学生了解计算机系统的硬件和软件构成方法，掌握其硬件系统中运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备的实现方法。培养学生分析和设计计算机各部件的能力，特别是动手能力，使学生做到理论与实践相结合、硬件与软件相结合，逐步达到能运用理论知识设计一些性能良好的指令系统，提高自行设计、调试、分析问题和解决问题的能力。为后续专业课程的学习打下扎实的理论基础。

二、实验教学基本要求

基本要求：本课程要做6个以上的实验，其中必做实验6个，范围涉及计算机的5大部件，既有验证实验和设计实验，又有综合实验。要求学生必须做好实验前的预习准备，包括弄懂各项实验的实验原理，熟悉各项实验中相关的理论知识，掌握对设计方法，制定实验步骤和记录格式。在实验中学会使用相关实验设备进行实验、测试、观察和分析实验现象。记录实验结果，编写实验报告。

三、实验项目与类型：

四、实验教学内容

实验一 TEC－2机电源连接与联机通讯

1、实验目的

掌握tec-2的工作原理，和PC机的通信连接。

2、方法原理

按实验原理图就进行连接。

3、主要实验仪器及材料

Tec-2试验箱一台，PC机一台。

4、实验内容

按实验要求连接电源线和串口信号线，加载通信软件，观察计算机屏幕上的实验信息，判断联机是否成功。

实验二 TEC－2机用法与汇编语言程序设计实验

1、实验目的

这是在深入学习与开始计算机功能部件实验之前，建立对TEC－2机感性认识的一次实验，以便为后面的学习打下初步基础，同时发现一些自己尚不能清楚回答的问题。

2、方法原理

①TEC－2机的实际组成，包括两块插件板的插接方式；

② 指示灯的可显示的内容与显示选择开关（S₁、S₂、S₃）的用法；

③ 水平板上4个功能开关（FS₁、FS₂、FS₃、FS₄）的用法及各项功能的操作步骤，特别是连续／单指令执行程序、单微指令执行（单步操作）的概念及各自的特定意义（；

④TEC－2机的指令格式、指令功能、TEC－2机汇编程序设计；

⑤TEC－2机监控命令的格式、功能与用法。

⑥TEC－2机交叉汇编程序ASEC、联机通讯程序PCEC使用和联机方法。

3、主要实验仪器及材料

Tec-2试验箱一台，PC机一台。

4、实验内容

① 学习与了解TEC－2机监控命令的用法，包括使用A命令编制一些小程序。

② 学习与初步了解TEC－2机的指令系统，学习简单的汇编程序设计，包括交叉汇编程序的用法。

③TEC－2机开关、指示灯、按键的简单用法。

实验三 运算器实验

1、实验目的

深入了解AM2901运算器的功能与具体用法，4片AM2901的级联方式，深化运算器部件的组成、设计、控制与使用等诸项知识。

2、方法原理

TEC－2机的运算器实验可以分成脱机与联机2种方式进行，又可以分成静态功能实验与动态进位时间测试2个方面的内容。

（1）脱机方式

当TEC－2机的4个功能开关FS₁~FS₄处于×××1位置时，即左3个开关位置为0或1，最右一个开关FS₄处于“l”位置（向上拨）时，TEC－2机的运算器处于脱机状态，即运算器从TEC－2机整机中脱离出来，它的全部控制与操作均通过两个12位的微型开关SW₂、SW₁完成。此时谈不上执行指令。只能通过开关、按键与指示灯控制TEC－2机的运算器执行指定的功能。微型开关的具体分配是：

这些信号与讲解AM2901器件时用到的相同。A口、B口地址是送给AM2901器件用于选择源与目的操作数的寄存器编号；I₈—I₀是选择操作数、选择操作功能、选择操作数处理结果和运算器输出内容的3组3位的控制码,详细请参见表1―4、表1―5、表1―6及相关叙述；SCi、SSH和SST用于确定运算器最低位的进位输入、移位信号的入／出和怎样处理AM2901产生的状态标志的结果，详细请参见表1―8和表1―9及相关叙述。

（2）联机方式

当TEC－2机的4个功能开关的FS₄处于“0”位置时，运算器处于联机状态，即运算器已正常接入TEC－2机的整机系统之内，其全部的控制信号，即在脱机方式下由2个12位的微型开关提供的信号，完全由TEC－2机的控制器的微指令寄存器PLR的相应微码位给出。这些位的具体分配请参见对微指令格式的规定。与脱机方式相比，是把通过二个微型开关拨的内容，变成写进控制器的控存相应单元中对应位上的“0”和“1”。每一步操作，还可以通过单步按键单步执行。这种实验方法需对怎样向控存装入微码和怎么顺序取出微指令字有一定了解。

在两种方式下进行运算器实验时，若通过指示灯检查运算器的每次运算结果，得到的运算结果是在按STEP键之前，而得到状态寄存器中存入的状态标志结果则在按STEP键之后。

3、主要实验仪器及材料

Tec-2试验箱一台，PC机一台。

4、实验内容

① 在脱机与联机两种方式下，可以用一些数据实现多种计算，以控制其操作过程与功能，检查所得结果的正确性。

在脱机方式下，通过2个12位微型开关完全自主的控制与操作运算器，实现表2－1中给出的AM2901芯片用法的几个例子的具体内容，这可以通过对A口、B口地址、9位控制码，最低位进位输入，移位等的用法全面检查到，可以观察运算器的计算结果和各标志位的值。

在联机方式下，可以看一些简单指令，如ADD、SUB、INC、AND、SHL等指令的执行控制。由于此时控制器的内容尚未讲到，正确全面理解这些指令的执行过程是困难的，但可以在单步方式下，使TEC－2机进到要看的指令所对应的微指令的位置，例如前述5条指令所对应的微指令地址分别为1ch，20h，66h，4ah，5ch，可以查看送到运算器的全部控制信号和运算器的计算结果，这不仅对学习运算器有直接帮助，也为学习控制器做了一点准备。为此，必须了解怎样进到上述几条微指令地址的操作方法，以及如何观察到要看的全部信号。这些内容可以去看控制器实验中执行微程序的操作步骤。

② 测试动态进位时间的实验（选作）

TEC－2机通过3组跨接线可选择四片AM2901器件之间实现并行或串行进位；通过SCi的两位给11值，可选ALU的最低位进位信号为方波信号。当选用二相加数为16位全“1”加0、最低位进位输入信号为方波时，则加法器每位输出均为方波。此时可测量4片的每一片在并、串2种方式时的进位延迟时间，体会并、串进位对加法运算执行时间的影响。

实验四TEC－2机微程序设计实验

1、实验目的

比较深入透彻地学懂计算机各种指令的执行过程，以及控制器的组成、设计的具体知识。理解动态微程序设计的概念。

2、方法原理

TEC－2机的微程序设计实验，是控制器部件实验的关键，也可以说是学习计算机整机设计，特别是每条指令执行步骤的重要内容。要进行这项实验，必须比较清楚地懂得：

① TEC－2机的功能部件及其连接关系；

② TEC－2机每个功能部件的功能与具体组成；

③ TEC－2机支持的指令格式；

④ TEC－2机的微指令格式，AM2910芯片的用法；

⑤ 已实现的典型指令的执行实例，即相应的微指令与其执行次序的安排与衔接。

⑥ 要实现的新指令的格式与功能。

3、主要实验仪器及材料

Tec-2试验箱一台，PC机一台。

4、实验内容

（根据情况任选之一）

① 选定指令操作码，指令格式，设计一条指令，其功能是把用绝对地址表示的内存单元A中的内容与内存单元B中的内容相加，结果存在B单元中。

②设计一条指令，其功能是把一个通用寄存器中的内容进行半字交换，即将其高低位字节的内容对换。

③设计一条指令，完成对存放在低位字节的8位有符号补码数进行符号扩展，即将其变为16位的同值的补码数，仍保存在原寄存器中。

④设计一条指令，完成某内存单元内容与一通用寄存器内容相加，结果放在另一寄存器中。

⑤ 设计不同功能的转移指令，转子指令等。

实验五TEC－2机存储器部件实验

1、实验目的

学习主存储器系统设计知识，了解主存工作过程中各种信号的时序关系，观察主存读写中各种信号的波形。

2、方法原理

(1) 完成外部与主存储器间的数据读写，可以用监控命令D和E完成。在无PC机与计算机终端时，就只能借助开关与按键完成，并借助指示灯查看结果，通常称这种工作方式为手拨数据方式，在TEC－2机上，其操作步骤是：

①存储器写FS₁—FS₄=0100 STP置连续脉冲方式

实验步骤：

a)拨好存储器的首地址，按RESET；

b)拨人数据，按STEP CLK写入该数据，存储器地址自动加1；

c)重复b)，连续写入数据。操作时，可以让LED灯显示内部总线，观察拨入的数据，或显示地址总线，观察将要写入的存储器地址，或两者交替显示，即在拨入数据时显示内部总线，写入时显示地址总线。

d)数据要写入不连续的存储器单元时，转a)重新开始。

② 存储器读FS₁—FS₄—0110 STP置连续脉冲方式

实验步骤：

a) 拨好存储器的首地址，按RESET；

b)用LED灯显示IB总线，观察从存储器中读出的数据，或显示AB总线，观察存储器的地址；

c)每按一次STEP CLK，顺序读出存储器单元的内容，需读不连续的存储器单元时，转a)重新开始。

(2) 存储器动态测试

在该实验之前先用存储器写方式给存储器连续8个单元（末3位地址从000—111）写入便于用示波器显示的数据（如四个单元写全“0”，4个单元写全“1”）。

FS₁—FS₄=1000 STP置连续脉冲方式

实验步骤：

①拨好存储首地址（末3位地址为000），按RESET；

②用示波器测出AB₀，DB₀，和/MCS1的波形；

③求出地址有效到输出，即AB0到DB0的延迟时间Tad

求出片选/MCS₁有效到输出，即/MCS₁下降沿到DB₀的延迟时间Tcsd；

求出片选/MCSI无效到输出变为3态，即/MCS1上升沿到DB₀为3态的延迟时间Tcsx。

(3) 存储器扩展

用扁平线把TEC－2机的扩展插座中的信号引到实验盒中，其中与存储器扩展有关的信号有：

AB₁₅一AB₀：存储器地址线

DB₁₅一DB₀：存储器数据线

/MMW：存储器写信号

/MERQ：存储器请求信号，只有/MERQ为低时才能访问存储器

/MCS₃：未用的存储器片迷信号，地址范围为1800H—1FFFH

根据扩展的容量以及地址范围，对AB₁₅一AB₀，/MERQ进行全译码，产生存储器片选信号，也可直接利用已有的/MCS，但只能扩展2K，接好线后，利用存储器读写检查电路的正确性。

3、主要实验仪器及材料

Tec-2试验箱一台，PC机一台，示波器一台。

4、实验内容

① 完成内存数据手工拨入操作后，用读出方式检查操作结果的正确性，并看懂微程序中实现这两种功能的微指令段。

② 观察并记录内存读写过程的波形及相互时序关系，检查自己对其理解的正确程度。

③ 进行内存容量的扩展实验。

实验六TEC－2机I/O实验

1、实验目的

学习串行口的正确设置与使用，并行口的正确设置与使用。中断的产生、响应、处理等技术，学习将并行口打印机接入TEC－2的实际知识。

2、方法原理

(1) 实验原理电路图

并行接口电路I/O实验原理电路图

(2) 接线图

并行接口电路I/O实验接线图

3、主要实验仪器及材料

Tec-2试验箱一台，PC机一台。

4、实验内容

(1)用串行口实现2台TEC－2机的双机通讯

(2)用并行口将打印机接入TEC－2机实现程序查询与中断2种方式下的打印操作

实验七 多级中断实验

1、实验目的

掌握中断的原理和实现方法。

2、方法原理

(1)实验原理电路图

多级中断实验原理图

(2) 接线图

多级中断实验接线图

3、主要实验仪器及材料

Tec-2试验箱一台，PC机一台。

4、实验内容

(1)接线（用直径0.2mm的单股导线）

将TEC—2机50芯扁平电缆线与扩展板相连

（注意：50芯扁平电缆线与扩展板方向不要接反，扁平电缆线红线边向上）

(2)启动TEC—2机，进入监控程序状态

（具体方法见“2．1联机通讯”所述）

(3)编写程序进行实验

实验八TEC一2机整机调试（故障定位与排除）实验

1、实验目的

学习整机故障定位与排除的有关知识与操作技术，增强计算机组成原理综合知识应用能力与实际动手操作的能力，体会实验计算机上设置许多开关、按键、指示灯的作用。

2、方法原理

在TEC－2上设置若干个故障点，通过各种静态与动态测试手段，查找并排除故障来模拟计算机的调试过程。

为了保证实验装置在测试时不会由于操作不慎被损坏，这里所设置的故障被限制在只需从LED灯显示和测试孔测试就能找到并排除的范围内，因此实验时禁止测试测试孔以外的任何地方。

3、主要实验仪器及材料

Tec-2试验箱一台，PC机一台。

4、实验内容

①用存储器写方式向存储器中写人若干个不同数据，然后用存储器读方式读出，显示地址及读出的数据是否正确，这一步可能出现的现象有：

a)首地址不正确或地址不能自动加1；

b)不能用LED显示拨入的数据；

c)读出的数据不正确。

②向存储器写入加、与、比较和移位（算术与逻辑移位）等指令，然后用单指令执行方式执行，显示运算结果及程序状态是否正确。

单指令执行步骤：

a) STP置连续脉冲方式，FS₁—FS₄=1100，拨好程序首地址按RESET，执行第一条指令；

b)每按一次STEP CLK执行一条指令，可用LED显示地址总线AB₁₅—AB₀，观察下条将要执行的指令地址；显示ALU输出RD₁₅—RD₀，观察指令目的寄存器的内容或显示状态寄存器输出C、Z、V、S，观察程序状态字。

这一步可能出现的现象有：

4 加、与、比较指令执行结果不正确或执行后程序状态字不正确。

5 移位指令执行结果不正确，可能的故障是移入数据不正确或移位数据不正确。

③连接终端或PC，运行TEC－2监控程序，若故障已排除，则能正确运行，否则转A重新设置不同数据，对不同寄存器操作，最终一定能找到故障并排除之。

五、考核方法

1.学生在做实验之前，指导教师点名并检查预习报告，预习报告符合要求后方可进行实验；

2.实验完成后由指导教师验收，达到实验指标要求后，学生离开实验室；

3.学生实验报告按A、B、C、D四个等级评分，实验成绩按20%比例计入理论课成绩。

六、实验指导书及主要参考书目

[1]《计算机组成原理实验指导书》，王诚主编，清华大学出版社，2000年。

[2]《计算机组成与结构》，王爱英主编，清华大学出版社，2002年。

[3]《TEC_2实验箱附带实验指导书》，清华大学计算机与信息工程学院，2007.

主 撰 人：龙海

审 核 人：刘伟群

2012.6